Une école de l'Université de Lorraine

Couches minces et nanostructures

Couches minces et nanostructures

Le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages formés avec l'indium (InGaN) ou l'aluminium (AIGaN) sont des semi-conducteurs III-V à gap direct dont l’énergie de bande interdite varie de 6,1eV pour AIN à 0,7eV pour l’InN (3,4eV pour GaN). Ils sont actuellement les matériaux phares de l‘optoélectronique. L’un des facteurs limitant leur utilisation réside dans l’absence de substrats adaptés en paramètre de maille. Les substrats couramment utilisés pour ces alliages nitrures sont le saphir, le carbure de silicium ou le silicium, tous trois présentant des désaccords de paramètre de réseau importants avec GaN. Ces désaccords ainsi que les différences entre les coefficients de dilatation thermique, provoquent une très forte contrainte de GaN et ses alliages. Il en résulte une densité importante de dislocations dans le matériau et parfois des fissures fortement préjudiciables à la durée de vie et à la fiabilité des composants réalisés avec ces matériaux.

Cette activité de recherche se mène ou s’est menée au travers de plusieurs programmes de recherche collaboratifs : Projets ANR NewPVonGlass (cellules solaires à haut rendement), GABORE (transistors à haute mobilité), VERTIGAN (VCSEL pour émission dans le bleu), MARSUPILAMI (miroirs à réseaux pour les VCSEL IR), CONTINUUM (cavité laser à miroir de Bragg chirpé), ULTRAWIDE (amplificateur optique à large bande, fort gain et faible consommation), Projet régional CPER (Matériaux complexes pour l’optique et l’électronique), Projet européen ACCORD (Diodes électroluminescentes à base de ZnO), Projet CNRS PEPS (Photodétecteurs UV), Projet franco-américain DRI/CNRS (Nano diffraction de rayons X).

Ces projets sont menés avec des partenaires privés comme Orange, Thalès-Alcatel (III-V Lab), Siltronix, Nanovation, Arcélor et des partenaires issus de la recherche publique : LPN, IEMN, NJIT, LMEN, IJL et CEA-LIST.

Nous développons 3 approches spécifiques pour remédier aux problèmes scientifiques évoqués plus haut :

L’incorporation de bore dans les matériaux nitrures

Cette approche permet, sinon d’éliminer, de réduire le désaccord de paramètre de réseau avec les substrats SiC, AlN et ZnO en formant respectivement les alliages ternaires BxGa1-xN et BxAl1-xN et les quaternaires BinGaN et BalGaN. De plus, les alliages à base de nitrure de bore possèdent une forte conductivité thermique, une grande sensibilité et robustesse aux rayonnements nucléaires, une excellente stabilité thermique, une transparence optique dans une gamme spectrale très large et une grande variation d’indice de réfraction ainsi qu’une résistivité électrique élevée et contrôlée par la composition de bore.

Les nanostructures obtenues par croissance sélective

La nano-hétéroépitaxie, réalisée en utilisant l’approche de l’épitaxie sélective sur des substrats partiellement couverts de masques diélectriques contenant des nano-ouvertures, offre des avantages dans l’intégration complexe de matériaux hétérogènes. Cette technologie permet de superposer, sans propagation de dislocations, des couches minces de matériaux présentant entre eux de très forts désaccords de maille et de coefficients de dilatation thermique. La maitrise de la taille, de l’emplacement et de la forme des nanostructures, ouvre également de nombreuses applications dans le domaine des nano-composants.

La croissance de GaN sur des substrats alternatifs moins désaccordés

C’est le cas par exemple de ZnO ou LiNbO3 qui présente respectivement 1,8% et 4% de désaccord avec GaN. De plus, nous comptons tirer avantage de l’association de ZnO avec GaN par son utilisation comme couche sacrificielle pour le report (lift off).

Résultats significatifs

Exemple

"Metal-organic phase epitaxy of BinGan quaternary alloys characterization of boron content", Gautier S.,Orsal G., Moudakir T., Maloufi N., Jomard F., Alnot M., Djebbour Z., Sirenko A.A., Abid M., Pantzas K., Ferguson I.T., Voss P.L., Ougazzaden A., Journal of Crystal Growth, 312 (2010) 641-644.

Cet article concerne la croissance et la caractérisation d’un nouveau matériau nitrure boré, le BinGaN. Cette étude combine plusieurs spécificités du laboratoire telles que l’incorporation du bore dans les nitrures, la croissance potentiellement accordée en paramètre de maille sur un substrat alternatif comme le ZnO ou encore la mise au point d’un nouveau matériau pour les applications photovoltaïques dans la gamme du visible. Dans cette publication, nous avons montré, pour la première fois, la faisabilité de la croissance par MOVPE du BinGaN. Le quaternaire e été obtenu en incorporant progressivement le bore dans le matériau ternaire InGaN dont la croissance avait été préalablement optimisée. La composition en indium et en bore a été déterminée, dans le cadre de notre réseau national de collaboration en combinant des analyses telles que le SIMS, l’EDX et la transmission de la lumière blanche. Nous avons pu montrer que l’incorporation du bore se fait au détriment de l’indium. Ce résultat nous a permis d’expliquer les variations des valeurs de bandgap expérimentales et de confirmer les fortes valeurs de facteur de bowing pour les matériaux contenant du bore.